海上石油平臺中壓電動消防泵供電可行性分析

來 遠,李艷華，竇培舉

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300459)

海上石油平臺中壓電動消防泵供電可行性分析

來 遠1,李艷華2，竇培舉1

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300459)

海上石油平臺電動消防泵采用中壓供電可以解決消防泵啟動電流過大對平臺電網造成沖擊的問題，避免將大功率的電動消防泵拆分為兩臺小功率的電動消防泵，減少消防泵的啟動時間，提升消防系統(tǒng)的響應速度。針對規(guī)范要求消防泵供電電纜為耐火電纜，但國內尚未有滿足規(guī)范要求的中壓耐火電纜產品的情況，提出了采用防火涂料加絕熱層保護電纜的方案。經過論證該方案可以保證非耐火電纜在火災情況下保持正常工作，從而為海上石油平臺消防泵采用中壓供電提供了解決方案。

海上石油平臺；電動消防泵；中壓供電；耐火電纜

0 引 言

海上石油生產平臺上使用的電動消防泵多使用異步電動機。電動消防泵啟動時的電流是額定電流的4～7倍，啟動轉矩是額定轉矩的1～2倍[1]，較大的啟動電流會使發(fā)電機的輸出電壓下降。當電壓下降大于額定電壓的10%以后，對發(fā)電機和正在運行的用電設備以及整個電力系統(tǒng)的運行都是非常不利的，比如電壓下降10%，電動機的轉矩下降80%，照明燈的光通量下降70%。如果電壓繼續(xù)下降，電力系統(tǒng)的繼電保護裝置會動作，斷開配電系統(tǒng)或者主發(fā)電機開關，造成供電中斷。目前海上石油生產平臺的電動消防泵多選擇低壓(380 V)供電，當消防泵的額定流量超過一定數值(如500 m3/h)時，由于電機功率過大，需要將一臺電動消防泵拆分為兩臺小流量的電動消防泵并聯運行，以此來解決啟動電流過大的問題。但是這也帶來了兩臺消防泵啟動時間過長，導致消防系統(tǒng)響應時間長，消防泵布置空間增加，消防泵費用增加，操作維護工作量增加等問題。對一定功率的電動消防泵，如果采用中壓供電(6.3 kV)，電機的額定電流降低，啟動瞬間的電流增加不明顯，對整個電網的影響不大。因此采用中壓供電，對額定排量較大的電動消防泵可以不用兩臺泵并聯運行，消防泵采用直接啟動，啟動時間短。本文即針對標準規(guī)范對中壓消防泵供電的部分限制性要求提供了新的解決思路和方案，以推進中壓消防泵在海上的進一步推廣應用。

1 規(guī)范標準對電動消防泵供電的要求

《海上固定平臺安全規(guī)則》[2]是海上石油生產平臺設計應該遵循的首要規(guī)范。該規(guī)范對于電動消防泵的供電電壓和電纜的耐火要求沒有明確規(guī)定。

國家石油天然氣行業(yè)標準《非分類區(qū)域和I級1類及2類區(qū)域的固定及浮式海上石油設施的電氣系統(tǒng)設計與安裝推薦做法》(SY/T 10010—2012)[3]對于電動消防泵的電纜有類似規(guī)定。該規(guī)范規(guī)定電動消防泵的供電電纜的布線系統(tǒng)應該能夠耐受火焰直接燃燒30 min。

《國際海上人命安全公約》(SOLAS)[4]是海上石油生產平臺設計的主要參考規(guī)范。該規(guī)范沒有對電動消防泵的供電電壓進行規(guī)定，但是對于連接消防泵與配電板的電纜，如果通過有高度失火危險的區(qū)域，要求電纜為耐火型。

總體而言，目前海上平臺適用的各項規(guī)范對于電動消防泵的供電電壓沒有明確要求，選擇中壓6.3 kV的供電電壓符合規(guī)范的要求；而對電纜系統(tǒng)來說，只要與中壓供電系統(tǒng)配套的中壓電纜能夠滿足各項規(guī)范規(guī)定的耐火要求即可。

2 耐火電纜的特性

目前，市場上的電纜根據其燃燒特性可以分為普通電纜、阻燃電纜和耐火電纜三種。由于海上平臺危險性較高，廣泛采用阻燃電纜。對于耐火電纜與阻燃電纜的選擇，主要可以依據其燃燒特性決定。根據規(guī)范的規(guī)定，阻燃電纜要求在規(guī)定試驗條件下，試樣被燃燒，在撤去火源后，火焰在試樣上的蔓延僅在限定范圍內并且自行熄滅。耐火電纜要求在規(guī)定的火源和時間下燃燒時能持續(xù)保持指定狀態(tài)下運行的能力，即保持線路完整性的能力[5]。換言之，阻燃電纜沒有要求電纜被火燒之后保持供電線路的完整性，而耐火電纜則要求在燃燒一定時間之后能夠繼續(xù)供電，因此阻燃電纜無法滿足各項規(guī)范中對中壓消防泵供電電纜的耐火要求。

而對于耐火電纜，GB/T 19216從耐火溫度和耐火時間兩方面進行了規(guī)定：耐火溫度分為750 ℃和830 ℃兩類，耐火時間推薦采用90 min[6-7]。英國國家標準BS6387中將耐火電纜分為三類，分別是只耐火的電纜、耐火和耐水噴淋的電纜以及耐火和耐機械振動的電纜[8]。表1給出國標和英國標準對于耐火電纜的具體要求。

表1 規(guī)范標準對耐火電纜的要求

從上述耐火電纜的測試要求可知，如果海上平臺中壓消防泵電纜布置在安全區(qū)域，電纜布線系統(tǒng)只需要滿足國內相關規(guī)范的要求，即消防泵供電電纜系統(tǒng)須滿足耐火30 min仍保持供電能力的要求；而如果海上平臺中壓消防泵電纜需要布置在危險區(qū)域，則根據SOLAS的要求，處在危險區(qū)內的消防泵供電電纜至少應滿足耐火90 min仍保持供電能力的要求，這對海上平臺消防泵供電系統(tǒng)提出了很高的要求。

采用合格的耐火電纜可以滿足海上平臺消防泵的供電要求。目前國內的低壓阻燃耐火電纜種類較多，品種豐富，可以滿足平臺使用要求，但是對于中壓電動消防泵來說，國產中壓阻燃耐火電纜仍然處于實驗室樣品研發(fā)階段，市場上尚未有國產中壓耐火電纜的產品；但如果直接套用低壓耐火電纜的諸如纏繞云母絕緣帶等防護方法對中壓電纜進行保護，則面臨著防護有效性的問題，根據遲先吉等[9]的研究，該方式并不適宜用于中壓電纜的耐火防護；而如果采用進口中壓阻燃耐火電纜，由于平臺該類電纜使用量較小，故采辦周期極長，單價極高，難以滿足項目運行的要求。因此海上石油生產平臺的電動消防泵采用中壓供電，還需要解決中壓耐火電纜的問題，以滿足規(guī)范對消防泵供電電纜的要求。

3 中壓耐火電纜的替代解決方案

要保證中壓電纜在火災情況下能夠繼續(xù)保持供電能力，可以從兩方面考慮解決問題。一方面是在設計時保證中壓電纜不穿越著火風險高的區(qū)域，將電纜著火的概率降低到可接受的概率水平之下。另一方面是對電纜采取相關的保護措施，保證其在火災情況下不被破壞。

3.1 電纜不穿工藝設備區(qū)域

根據SOLAS的規(guī)定，電動消防泵的供電電纜通過有高度失火危險的區(qū)域時，要求采用耐火電纜?？梢詢?yōu)先考慮設備布置和電纜布線避開有高度失火危險的區(qū)域，從而可以不使用中壓耐火電纜。海上石油平臺的工藝設備區(qū)域是高度失火的危險區(qū)域，總體布置會將工藝設備區(qū)域和公用設備區(qū)域用防火墻進行分隔，消防泵一般位于公用設備區(qū)域。平臺上供電設備如變壓器，電氣開關等均位于公用設備區(qū)域，供電電纜在不同層甲板之間垂直布線，避開工藝設備區(qū)域是可行的。

3.2 采用防火涂料保護電纜

平臺上常用的膨脹型環(huán)氧樹脂防火涂料，噴涂厚度20 mm，在最長2 h的時間內，能夠保證被保護對象表面溫度不超過400 ℃。防火涂料不能直接涂敷在電纜表面，這主要是因為：一方面，防火涂料施工需要進行表面打磨拋光處理，防火涂料直接涂敷在電纜外表面施工困難；另一方面，防火油漆只能保證在一定時間內被保護對象的表面溫度不超過400 ℃，如果防火涂料直接涂敷在電纜表面，在火焰中燃燒一定時間之后，電纜表面溫度將會上升到幾百攝氏度，破壞電纜的完整性。因此需要在防火油漆與電纜之間設置絕熱層，對電纜提供絕熱保護。具體保護方案示意圖如圖1所示。

圖1 防火涂料與絕熱層保護電纜示意圖Fig.1 Diagram for fire-proof coating and heat insulating layer in cable structure

絕熱層可以采用聚氨酯泡沫塑料、玻璃棉制品以及硅酸鈣制品。根據平臺上發(fā)電機煙囪絕熱層設計經驗[10]，當煙囪表面溫度在400 ℃左右時，絕熱層厚度采用75 mm可以保證絕熱層外表面溫度不超過60 ℃。在規(guī)范推薦的90 min時間內，防火涂料背面溫度低于400 ℃，采用75 mm厚的絕熱層，電纜表面溫度將低于60 ℃，這一溫度低于平臺上常用的設計溫度，可以保證普通電纜正常工作。

3.3 其他需要考慮的問題

采用防火涂料和絕熱層對電纜進行保護，理論上是可行的，市場上常用防火涂料和絕熱層能夠滿足要求。考慮到海上石油平臺的特點，還需要考慮以下幾個問題。

首先是采用中壓供電方案是有其適用條件的。該方案只適用于電動消防泵只掛主電源，不掛應急電源的情況。在平臺上的電源是由其他設施提供，本平臺發(fā)生火災不影響平臺電源供應的情況下，平臺上的電動消防泵可以只由主電網供電，不用應急電源供電。如果平臺自身帶電站，在平臺發(fā)生火災，觸發(fā)火氣關斷的情況下，平臺電站失去燃料源，主電失效，因此消防泵必須由應急電源供電，應急電源是低壓電源，無法提供中壓電，因此在這種情況下，消防泵無法采用中壓供電。

第二點需要注意的是電纜的鋪設問題?？紤]絕熱層厚度、防火涂料厚度、鋼管直徑以及電纜本身直徑，整體直徑大概在175～200 mm之間，相當于8英寸(1英寸≈25.4 mm)的管道直徑。電纜在平臺上是由電纜托架鋪設，一般情況下，電纜托架上部空間不能滿足該尺寸管道的空間要求。在實際工程中可以考慮該電纜單獨走一路托架，避免與其他電纜共托架，也可以考慮直接走管道支架。

第三要考慮絕熱材料對電纜和鋼管的腐蝕問題。絕熱材料中的氯化物、氟化物、硅酸根、鈉離子等對奧氏體不銹鋼有腐蝕作用，選擇絕熱層材料應符合國家相關標準要求。

第四要考慮電纜外增加保護層后的施工問題。由于電纜在施工過程中，在諸如纜線撓度、硬度等方面有一定的施工限制，因此該隔熱結構需要首先在電纜外敷設絕熱層，然后將絕熱層和電纜一起置入保護鋼管中，預制的保護鋼管需要符合電纜撓度的要求。因此，在施工順序上，需要先預制好后再鋪設電纜。此外，由于電纜長度較長，不能分段，并且電纜受轉彎半徑的限制，電纜路徑需要提前規(guī)劃，順序施工。對于阻燃鎧裝電纜來說，電纜在保護鋼管中的穿行不會導致電纜的損壞。

第五要考慮船級社等第三方機構的接受程度。由于船級社對平臺消防系統(tǒng)的第三方評估對于平臺消防設計存在著舉足輕重的影響，因此除了進行一定的理論設計與計算外，還應進行相應的現場實驗，以保證第三方對該新防火方法的接受。

3.4 經濟性比較

相比較于常規(guī)的2×50%的傳統(tǒng)低壓消防泵設置，1×100%的中壓消防泵設置在平臺占地、設備費用方面的比較如表2所示。

表22×50%的低壓消防泵與1×100%的中壓消防泵技術經濟性比較

Table2Techno-economiccomparisonbetween2×50%lowvoltagefirepumpsand1×100%mediumvoltagefirepump

項 目2×50%的低壓消防泵1×100%的中壓消防泵設備費用(按800m3/h總消防水量計算)/萬元280200占地面積/m284結構鋼材費用/萬元4028供電電纜費用/萬元157電纜耐火結構費用/萬元015消防支管費用/萬元85總費用/萬元343255比較結果經濟性差經濟性好

根據表2的經濟性比較結果，同時考慮到兩臺電動消防泵給平臺總體布置和防火帶來的風險，消防系統(tǒng)設計中采用中壓消防泵對整體項目來說是更為合理的選擇。

4 結 語

對電動消防泵采用中壓供電可以解決電動消防泵啟動電流大對平臺電網造成沖擊的問題，從而可以避免將大功率的電動消防泵拆分為兩臺小功率的電動消防泵，減少消防泵的啟動時間，提升消防系統(tǒng)的響應速度。雖然目前國內尚未有滿足規(guī)范要求的中壓耐火電纜，但是可以從電纜布線以及采用防火涂料和絕熱層保護等方面對電纜進行保護，保證電纜在火災情況下也能正常工作，從而滿足規(guī)范對電纜耐火的要求。電動消防泵中壓供電的方案在平臺上應用前景比較廣闊。

[1] 安維杰，蔡振東，汪沛全. 海洋石油工程設計指南(第三冊)：海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007：97.

[2] 國家經貿委. 海上固定平臺安全規(guī)則[S]. 2000.

[3] 國家能源局. SY/T 10010—2012.非分類區(qū)域和I級1類及2類區(qū)域的固定及浮式海上石油設施的電氣系統(tǒng)設計與安裝推薦做法[S]. 2012.

[4] 中國船級社. 國際海上人命安全公約(2009綜合本)[S].2010：103.

[5] 中華人民共和國質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 19666—2005. 阻燃和耐火電線電纜通則[S]. 2005.

[6] 中華人民共和國質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 19216.11—2003. 在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性實驗第11部分實驗裝置——火焰溫度不低于750 ℃單獨供火[S].2003.

[7] 中華人民共和國質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 19216.12—2008.在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性實驗第12部分實驗裝置——火焰溫度不低于830 ℃[S].2009.

[8] The British Standards Institution. BS6387—2013. Test method for resistance to fire of cables required to maintain circuit integrity under fire conditions[S]. 2013.

[9] 遲先吉，韓盼.中壓耐火電纜的優(yōu)化設計[J].電線電纜, 2012(5):11.

[10] 中華人民共和國質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB 50264—2013. 工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范[S]. 2013.

FeasibilityAnalysisofMediumVoltagePowerSupplyforElectricallyDrivenFirePumponOffshoreOilPlatform

LAI Yuan1, LI Yan-hua2, DOU Pei-ju1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China;2.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300459,China)

During starting stage, electrically driven fire pump produces 4～7 times electric current than the rated electric current, which will result in surge impact on the electric grid. Usually two small power pumps are used to replace one big power pump to solve the electric current surge problem, but this will increase the acceleration time of the fire pump and postpone the response of the fire water system. If the electrically driven fire pumps are supplied by medium voltage power source, the starting electric current will be reduced and the surge impact will be eliminated. An equivalent method is raised to replace the medium voltage fire resistance cable under the situation that there is no qualified product at the market. The proposed scheme can meet the related standards and design rules, and provide a solution to the medium voltage driven fire pump on offshore oil platform.

offshore oil platform; electrically driven fire pump; medium voltage power supply; fire-resistance cable

2016-09-02

來遠(1983—)，男，工程師，主要從事海上及陸上油田采出水處理工藝研究及油田給排水工程設計工作。

U223.5

A

2095-7297(2016)06-0381-04